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Sensores de ultrasonidos

Tema 10 - 1

E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación de Vigo

Departamento de Tecnología Electrónica

SENSORES Y ACONDICIONADORES

TEMA 10

SENSORES DE ULTRASONIDOS

Profesores: Enrique Mandado Pérez

Antonio Murillo Roldan


Tema 10 - 2



Sensores basados en la interacción de los ultrasonidos con un objeto.

Se denomina ultrasonidos a las vibraciones de frecuencia superior a las audibles por el ser humano (>20 KHz) que se producen en un medio elástico.

ULTRASONIDOS

MICROSONIDOS

ESPECTRO AUDIBLE DEL SER HUMANO

15Hz 20kHz 500MHz

INFRASONIDOS

DEFINICIÓN


Tema 10 - 3



FUNDAMENTOS DE LOS SENSORESDE ULTRASONIDOS

La medida de diferentes variables físicas mediante los ultrasonidos están

relacionadas normalmente con su velocidad, su tiempo de propagación y, en algunos casos, con la atenuación o interrupción del haz propagado.

Hay tres principios físicos en los que se basa el funcionamiento de los sensoresde ultrasonidos:

- Propagación de los ultrasonidos en medios homogéneos y no homogéneos

- Reflexión de los ultrasonidos en objetos inmóviles o fijos.

- Efecto Doppler.


Tema 10 - 4



PROPAGACIÓN EN MEDIOS HOMOGÉNEOS

ρ

Ec =

Se define la impedancia acústica Z del medio como el producto de la densidad ρ por la velocidad del sonido c:

cZ •= ρ

FUNDAMENTOS DE LOS SENSORES DE ULTRASONIDOS

Las perturbaciones sonoras que se producen en un punto de un medio elástico se propagan a través de él con una velocidad c, que depende de la densidad ρ del medio y

de su módulo de elasticidad E, de acuerdo con la ecuación:


Tema 10 - 5



INFLUENCIA DE LOS FACTORES AMBIENTALES

La temperatura puede influir significativamente en la propagación de los

ultrasonidos. La densidad del aire depende de la temperatura que influye sobre la

velocidad de propagación de la onda de acuerdo con la expresión:

en la que Vso es la velocidad de propagación de la onda sonora a 0 ºC, y T es la

temperatura absoluta (grados Kelvin).



Tema 10 - 6



Como resultado de la perturbación, la presión varía con respecto a un valor medio y la diferencia entre el valor instantáneo y el valor medio se denomina presión acústica p.

La intensidad I de la onda es la potencia por unidad de superficie en W/m2.

La impedancia Z, la presión acústica p y la intensidad I están relacionadas

mediante la ecuación:

c

p

Z

pI

•

==ρ

22

Los ultrasonidos se pueden propagar a través de un medio homogéneo o no

homogéneo.




Tema 10 - 7



Al propagarse la radiación en un medio homogéneo, su intensidad sufre una

atenuación exponencial de acuerdo con la ecuación:

xeII α2

0

−=

en la cual: I0: intensidad incidenteα: coeficiente atenuaciónx: distancia recorrida




Tema 10 - 8



Si la onda pasa de un medio de impedancia Z1 a otro de impedancia Z2, además de

ser absorbida, se refleja. En este caso los coeficientes de reflexión y transmisión

son:

2

21

21

+

−==

ZZ

ZZ

Ii

IrR

2

21

21

)(

4

ZZ

ZZ

Ii

ItT

+==

1=+TR

en la cual Ii: Intensidad de radiación incidenteIr: Intensidad de radiación reflejadaIt: Intensidad de radiación transmitida

Ii

Ir

It

Z1 Z2




Tema 10 - 9



GENERACIÓN DE ULTRASONIDOSPara generar ultrasonidos se utilizan habitualmente materiales piezoeléctricos en los que se generan tensiones eléctricas al aplicarles una presión mecánica El efecto piezoeléctrico se debe a que la presión provoca una deformación de la retícula cristalina que da lugar, a su vez, a un desplazamiento de las cargas eléctricas moleculares, lo que hace que aparezcan diferencias de potencial entre las caras del material. El signo de esta diferencia de potencial se invierte cuando se invierte el sentido de la presión, que puede ser de tracción o de compresión. El cuarzo y la turmalina son materiales piezoeléctricos naturales, pero, debido al valor reducido de sus parámetros característicos, fueron sustituidos por otros materiales piezoeléctricos sintéticos implementados con titanatos y circonatos de plomo (PZV). Estos materiales son más estables que los naturales, aunque presentan el inconveniente de su dependencia de la temperatura y la pérdida de sus propiedades piezoeléctricas a medida que su temperatura se acerca al valor de Curie.

Si+ Si+

O- O-

O-

Si+ -

+

Si+ Si+

O- O-

O-

Si+


Tema 10 - 10



Los sensores electrónicos de ultrasonidos se basan en la reversibilidad del principio de funcionamiento de los materiales piezoeléctricos.Dichos materiales se caracterizan por generar una señal eléctrica al aplicarles una onda de presión (en este caso el sonido) y por ser capaces de vibrar y de generar ondas de presión cuando están inmersos en un medio elástico como por ejemplo el aire, cualquier otro fluido o un sólido, al aplicarles una excitación eléctrica.

PZT PZT

GENERACIÓN DE ULTRASONIDOS


Tema 10 - 11



Cono de

radiació

n

Emisorθ

Cono de ultrasonidos

Emisor-receptor de ultrasonidos



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-10 DB

-20 DB

-30 DB

-40 DB

90 7560

45

30

15

0

105120

135

150

165

180

285300

315

330

345

255240

225

210

195

270

10 dB/radial div.

En general se necesitan haces estrechos a fin de evitar reflexiones indeseadas, para lo cual la superficie de emisión debe ser grande con respecto a la longitudde onda del ultrasonido emitido.En este caso, además del cono de radiación fundamental se generan un conjuntode lóbulos secundarios en forma de anillos.



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- La interrupción del haz ultrasónicoFunciona como detector de un objeto que interrumpe el haz

ultrasónico

- La reflexión en objetos inmóviles o fijos

Es debida a la propagación en medios no homogéneos, que no se

mueven uno con respecto al otro, descrita anteriormente.

- La reflexión en objetos móviles (efecto Doppler)

Es debida a la propagación en medios no homogéneos que tienen un

movimiento relativo entre ellos

TIPOS DE SENSORES DE ULTRASONIDOSPRINCIPALES EFECTOS UTILIZADOS PARA

IMPLEMENTAR SENSORES DE ULTRASONIDOS


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Emisor Receptor

Objeto

5 – 150 cm

Sensores ultrasónicos de barrera

TIPOS DE SENSORES DE ULTRASONIDOS


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SENSOR ULTRASÓNICO DE REFLEXIÓN EN OBJETOS INMÓVILES O DE TIPO ECO

2

ctd 1

=

Emisor

Receptor

Objeto

d

t

t1

t

Emisor

Receptor

Pulso

Ecod

Se mide el tiempo que tarda en recibirse el eco de un impulso emitido, debido a la reflexión sobre un objeto presente en el camino de propagación de la radiación.

El objeto puede ser un líquido, un sólido, granular o polvo, con la única restricción de que debe tener una impedancia acústica muy diferente de la del medio en el

que se propagan los ultrasonidos, para que la mayor parte de la radiación se

refleje.



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En los sensores de ultrasonidos de bajo coste se utiliza el mismo transductor

como emisor y receptor. Tras la emisión del ultrasonido se espera un determinado tiempo a que las vibraciones en el sensor desaparezcan y a que

esté preparado para recibir el eco producido por el obstáculo.

Esto implica que existe una

distancia mínima d(proporcional al tiempo de

relajación del transductor)

a partir de la cual el sensor mide con precisión.


SENSOR ULTRASÓNICO DE REFLEXIÓN EN OBJETOS INMÓVILES O DE TIPO ECO


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Ejemplo: Circuito de medida de distancias basado en la medida del tiempo depropagación VC

VOSC

SONIDO

VSA

VSC

VECO

VREFEco

t

OSC. AMPL.

AMPL.

+

-

Q

R

S

VC

VOSC

VSA

Vcc

VSCV

ECOVREF

APLICACIÓN DE LOS SENSORES DE REFLEXIÓN EN OBJETOS INMÓVILES



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SensorRx

Amplificador

Comparador

Microcontrolador

VisualizadorSensor

Tx

Amplificador

SENSOR ULTRASÓNICO DE REFLEXIÓN EN OBJETOS INMÓVILES



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Tema 10 - 20



CONSIDERACIONES IMPORTANTES (I)

� Para lograr un gran alcance y reducir las interferencias acústicas es importante que el haz emitido sea estrecho.

� Si el tamaño del objeto es menor que la longitud de onda, la radiación

reflejada es débil, por lo que para objetos pequeños se debe trabajar a alta frecuencia.

� El efecto de las interferencias acústicas es menor a altas frecuencias pero la atenuación de la onda es mayor.




Tema 10 - 21



CONSIDERACIONES IMPORTANTES (II)

� Si la temperatura ambiente no es constante hay que compensar la variación de la velocidad c de propagación (a menor temperatura mayor tiempo de

recepción). La velocidad también depende de la presión, la densidad o la

presencia de sustancias disueltas. Por ello, se suele calcular primero el valor de c mediante la reflexión en un objeto a una distancia conocida.

t'

td'dctd

t'

d'cct'd'

=⇒=

=⇒=

Emisor

Receptor

Objeto

d

d

d'd'

t

t

t

Emisor

Receptor 2º Ecot'

1erEco




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Sensor

Objeto caliente

MEDIDA POSIBLE

Objeto caliente

Sensor

MEDIDA INCORRECTAMEDIDA CORRECTA

Objeto frío

Sensor

Influencia de la temperatura del objeto en la transmisión de los ultrasonidos:a) Objeto frío; b) Objeto caliente y sensor sobre él en la misma vertical ; c) Objeto caliente y sensor situado lateralmente.




Tema 10 - 23



Para medir distintas variables físicas mediante ultrasonidos se utiliza su velocidad, su tiempo de propagación y en algunos casos la atenuación o interrupción del haz propagado.

Ejemplo: Utilización del nivel de atenuación de la onda para detectar grietas

APLICACIÓN

TIPOS DE SENSORES DE ULTRASONIDOSSENSOR ULTRASÓNICO DE REFLEXIÓN EN OBJETOS INMÓVILES


Tema 10 - 24



SENSORES DE ULTRASONIDOS COMERCIALES

APLICACIÓN: Polaroid Ultrasonic Sensor

Desarrollado para implementar el sistema automático de enfoque de una cámara en el rango de 15 cm a 100 m.

CARACTERÍSTICAS

• Frecuencia 50 KHz

• Las vibraciones residuales pueden ser

interpretadas como eco de la señal

• Emite una señal de bloqueo de señales

residuales los primero 2.38 ms después

de la transmisión



Tema 10 - 25



SRF235 SENSOR DE ULTRASONIDOS DE ALTA FRECUENCIA

El sensor SRF235 es un medidor de distancias por

ultrasonidos de alta frecuencia y haz estrecho que pose un procesador de comunicaciones I2C. Se utiliza en robótica.

Este sensor de ultrasonidos destaca por funcionar a una frecuencia de 235Khz y generar un haz de tan solo 15 grados,

lo que proporciona una medida de elevada precisión y gran direccionabilidad.

Las ondas ultrasonoras de 235KHz no se transmiten tan

fácilmente a través del aire como las de 40KHz. Esto hace que

el alcance del sensor SRF235 esté limitado aproximadamente a 1 m para objetos normales y un máximo de 1,2 m para

superficies extensas.

SENSORES DE ULTRASONIDOS COMERCIALESSENSOR ULTRASÓNICO DE REFLEXIÓN EN OBJETOS INMÓVILES


Tema 10 - 26



SRF04 SENSOR DE MEDIDA DE DISTANCIAS POR ULTRASONIDOS

SRF04 es un sensor de distancias por ultrasonidos capaz de detectar objetos y calcular

la distancia a la que se encuentra en un rango de 3

a 300 cm.

Funciona mediante ultrasonidos y contiene el sensor propiamente dicho y el

circuito de acondicionamiento.

Emite un impulso y mide la anchura del impulso de retorno.

Es de muy pequeño tamaño y destaca por su bajo consumo, gran precisión y bajo precio. Reemplaza ventajosamente a los sensores polaroid antes descritos

en las aplicaciones de robótica.

SENSORES DE ULTRASONIDOS COMERCIALES



Tema 10 - 27



SRF05 SENSOR DISTANCIAS ULTRASONIDOS SIMPLE

El SRF05 es un sensor de medida de distancias

compatible con el clásico SRF04.

En el modo estándar, el SRF05 se comporta igual que el SRF04 pero posee un rango de medida de 4m en lugar de 3m. Además el sensor SRF05 posee un modo de trabajo que emplea un solo terminal para actuar sobre él y hacer la lectura de la medida.



Tema 10 - 28



Los sensores de ultrasonidos se suelen utilizar en sistemas de reconoci-

miento del entorno y medición de distancias en robótica. En este caso se utilizan varios sensores y se diseña una estrategia de control en función

de las mediciones de los mismos.

Los sensores se colocan de una manera determinada en la superficie exterior del robot y el resultado de las medidas se utiliza para establecer

la estrategia de movimiento del mismo.

SISTEMAS DE PERCEPCIÓN Y CONTROL DE ROBOTS MÓVILES



Tema 10 - 29



APLICACIÓN DE LOS SENSORES DE ULTRASONIDOS

Sistema de prevención de

colisiones para vehículos

de la industria de la construcción (grúas,

camiones, topadoras,

tractores, montacargas,

etc.).

SISTEMA DE PREVENCIÓN DE COLISIONES

Es muy común durante el trabajo en obra que estos vehículos colisionen con el

entorno debido a la gran cantidad de maniobras que deben realizar dentro de un ambiente en constante cambio y a la escasa visibilidad ocasionada por el propio

vehículo.

El coste de reparación de estos vehículos y las demoras ocasionadas justifican la instalación de un sistema para la prevención de colisiones.



Tema 10 - 30



SONAR (SOund NAvigation and Ranging)

Utilizan la reflexión de los ultrasonidos en objetos situados en el agua. Se usó con fines militares en la Segunda Guerra Mundial.

Hoy en día su aplicación militar está en desuso ya que la llegada del impulso alerta al objetivo de la presencia del emisor antes de que éste escuche el eco.

Actualmente se utiliza para detectar bancos de peces.




Tema 10 - 31



El efecto Doppler, llamado así por Christian Andreas Doppler en 1842, consiste en la variación de la frecuencia de cualquier tipo de onda emitida o recibida por un objeto en movimiento.La frecuencia percibida por un observador (o) de una fuente (s) es:


EFECTO DOPPLER (I)

f’ = f V (+/-) Vo

V (-/+) Vs

en la que: Vo es la velocidad del observador.

Vs es la velocidad de la fuente.

V es la velocidad de la onda en el medio.

Los signos indican que los valores son distintos en el numerador y

denominador.

SENSOR ULTRASÓNICO DE REFLEXIÓN EN OBJETOS MÓVILES


Tema 10 - 32



EFECTO DOPPLER (II)

Oscilador Amplificador Transductor

Mezclador Amplificador Sensor

Visualizador

fe

fr

movimiento

TIPOS DE SENSORES DE ULTRASONIDOSSENSOR ULTRASÓNICO DE REFLEXIÓN EN OBJETOS MÓVILES

Diagrama de bloques de un sensor de ultrasonidos basado en el efecto Doppler.


Tema 10 - 33



Se basan en la diferencia entre el valor del tiempo que tardan dos ondas en recorrer el mismo camino en sentidos opuestos en el seno de un fluido en movimiento. Debido al efecto Dopler la velocidad del sonido se suma a la del fluido, lo que da como resultado valores diferentes para los recorridos A-B y B-A. El emisor y el receptor se sitúan en las paredes opuestas de la tubería y forman un ángulo con el eje.

APLICACIÓN : CAUDALÍMETRO

TB-A

Tmed

TA-B

h

c velocidad del sonido en el fluido

θ

d

A

B

v

Si θ=45º TB-A - TA-B = (2 v d) / c2

TIPOS DE SENSORES DE ULTRASONIDOSSENSOR ULTRASÓNICO DE REFLEXIÓN EN OBJETOS MÓVILES


Tema 10 - 34



CAUDALÍMETROS


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